熊 斌， 彭邦煌， 楊少遠(yuǎn)

（比亞迪汽車工程研究院， 廣州 深圳 518118）

伴隨汽車行業(yè)迅速發(fā)展， 車輛電子電氣系統(tǒng)功能愈趨復(fù)雜， 車輛自動(dòng)化和智能化水平不斷提高， 對(duì)車輛的安全性有了更高的要求。 電動(dòng)車窗基本成為量產(chǎn)轎車標(biāo)配， 電動(dòng)車窗關(guān)閉過(guò)程如果沒(méi)有防夾功能， 誤操作容易造成人體傷害， 因此車窗防夾的研究很有必要。

現(xiàn)在車窗上搭載的防夾技術(shù)包括霍爾防夾技術(shù)和紋波防夾技術(shù)。 霍爾防夾研究較早， 技術(shù)相對(duì)成熟， 占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。 紋波防夾由于技術(shù)難度高和對(duì)電機(jī)性能參數(shù)要求嚴(yán)格， 研究較少， 但隨著電子技術(shù)的成熟， 而且紋波防夾可以節(jié)省傳感器及線束成本， 因此紋波防夾具有重大研究?jī)r(jià)值。

1 車窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及紋波防夾原理

1.1 車窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車窗系統(tǒng)由升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制器組成， 升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括車窗、 車窗夾持器、 車窗升降軌道、 渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和直流有刷電機(jī)等， 車窗結(jié)構(gòu)如圖1所示。 車窗系統(tǒng)工作時(shí)， 控制器控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)， 通過(guò)渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為鋼絲繩的直線運(yùn)動(dòng)， 鋼絲繩帶動(dòng)車窗夾持器運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)車窗上升或者下降。

圖1 車窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 紋波防夾工作原理

紋波防夾工作原理是通過(guò)采樣電路對(duì)直流電機(jī)的紋波電流進(jìn)行采集， 通過(guò)相關(guān)算法對(duì)紋波電流進(jìn)行處理得到車窗的位置和防夾力， 從而判定防夾。

車窗位置計(jì)算原理是由于電機(jī)換向器上兩個(gè)碳刷轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸電流時(shí)， 電阻產(chǎn)生變化， 從而產(chǎn)生周期性變化的紋波電流信號(hào)， 對(duì)車窗運(yùn)動(dòng)全行程紋波電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)， 可以得到車窗的位置信息。

如圖2所示， 車窗防夾力計(jì)算原理是當(dāng)車窗負(fù)載逐漸增加時(shí)， 電機(jī)速度不斷減小， 電機(jī)電流不斷增大， 因此可以通過(guò)電機(jī)電流或者轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算負(fù)載力矩， 從而得到防夾力值來(lái)判定防夾。

圖2 防夾過(guò)程電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流變化曲線圖

常用的車窗防夾判定方法是， 采集電機(jī)電流或轉(zhuǎn)速值，根據(jù)電流扭矩或轉(zhuǎn)速扭矩曲線來(lái)計(jì)算防夾力從而判定防夾，該方法的缺陷是對(duì)于不同電壓、 不同溫度和車窗老化工況不能自適應(yīng)， 需要標(biāo)定各工況的防夾閾值， 導(dǎo)致算法開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)。 本文研究算法是基于轉(zhuǎn)速差的車窗防夾力計(jì)算方法， 該方法不受車窗老化、 電壓變化等影響， 有很好的適應(yīng)性。

2 車窗防夾算法模型建立

2.1 防夾要求及影響因素

2.1.1 法規(guī)要求

國(guó)標(biāo)要求帶自動(dòng)升窗需要配備防夾功能， 距離車窗全關(guān)閉頂部4～200mm的范圍作為防夾區(qū)域。 該防夾區(qū)域中，若出現(xiàn)障礙物阻礙車窗上升， 阻力大于設(shè)定防夾力閾值（小于100N） 時(shí)， 防夾系統(tǒng)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)， 車窗下降并釋放障礙物。

2.1.2 影響因素

車窗防夾判定受行駛路面、 電機(jī)電壓、 外界溫度和老化等因素的影響， 當(dāng)受這些因素影響時(shí)， 可能會(huì)導(dǎo)致車窗電機(jī)轉(zhuǎn)速下降和電流上升， 從而導(dǎo)致誤防夾， 因此在防夾算法設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)這些干擾因素進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 防夾算法設(shè)計(jì)

2.2.1 防夾算法模型建立

直流永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)等效控制電路如圖3所示， 由電感、 電阻和電機(jī)電樞3部分組成， 其中電阻為穩(wěn)態(tài)部分， 電感和電樞為瞬態(tài)部分。

圖3 直流永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)等效電路圖

根據(jù)等效電路電壓關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系， 可以得到公式 （1） 和公式 （2）。

式中： i——回路電流； U——回路供電電壓； R——回路等效內(nèi)阻； ω——直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速； L——回路等效電感； K——磁路電線性感應(yīng)常數(shù)； K——磁路機(jī)械線性感應(yīng)常數(shù)； T——負(fù)載轉(zhuǎn)矩； B——永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度； J——電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

公式 （1） 和 （2） 包含了直流永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程， 為研究扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系， 僅考慮電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程， 此時(shí)認(rèn)為電流i和ω均達(dá)到穩(wěn)態(tài)， 得到公式 （3）和 （4）。 由公式 （3） 和 （4） 消去電流i參數(shù)， 得到直流永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和負(fù)載扭矩關(guān)系表達(dá)式 （5）， 其中磁路電線性感應(yīng)常數(shù)、 磁路機(jī)械線性感應(yīng)常數(shù)、 磁場(chǎng)強(qiáng)度、內(nèi)阻均為常數(shù)， 因此公式 （5） 可以簡(jiǎn)化得到電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載扭矩關(guān)系式 （6）。

在做車窗防夾試驗(yàn)時(shí)， 采集數(shù)據(jù)一般選用渦輪處的扭矩和轉(zhuǎn)速， 電機(jī)扭矩、 轉(zhuǎn)速和渦輪扭矩、 轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式（7） 和 （8） 所示， 因此可以得到渦輪處的轉(zhuǎn)速扭矩關(guān)系表達(dá)式 （9）。

式中： n——渦輪轉(zhuǎn)速； T——渦輪轉(zhuǎn)矩； i——渦輪蝸桿傳動(dòng)比； K＇ ——電壓影響系數(shù)， 其 表達(dá)式 為K＇=K×i； K——扭矩影響系數(shù)， 其表達(dá)式為K＇=K×i。

如圖4所示， 對(duì)車窗升降系統(tǒng)進(jìn)行受力分析， 包括車窗重力F、 泥槽阻力F、 慣性力F、 防夾力F、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)力F， 根據(jù)受力平衡得到關(guān)系式 （10）， 考慮溫度、 電壓和車窗老化等都是緩慢變化， 一個(gè)防夾判定窗口內(nèi)可以認(rèn)為除防夾力F外的其他系統(tǒng)阻力為定值。 渦輪扭矩和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力之間關(guān)系如式 （11） 所示， 式中R為卷?yè)P(yáng)輪半徑。

圖4 車窗升降系統(tǒng)受力示意圖

由關(guān)系式 （12） 和 （13） 可以得到車窗系統(tǒng)紋波防夾判定表達(dá)式 （14）。 根據(jù)防夾判定表達(dá)式可知該算法可以解決以下防夾影響因素： 首先， 可以適應(yīng)不同電壓工況， 不同的恒定電壓下車窗渦輪轉(zhuǎn)速差是恒定不變的， 電壓跌落時(shí)通過(guò)K＇ （U-U）部分進(jìn)行補(bǔ)償； 其次， 可以適應(yīng)車窗老化工況， 算法是基于速度差分的， 即使不同老化程度下導(dǎo)致車窗初始速度不一樣也不受影響。

2.2.2 防夾軟件設(shè)計(jì)

車窗紋波防夾軟件流程如圖5所示， 首先車窗系統(tǒng)在通電后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化， 其次進(jìn)行升窗操作后先判定車窗電機(jī)溫度是否得到熱保護(hù)溫度閾值， 若達(dá)到閾值則進(jìn)入熱保護(hù)禁止操作車窗， 若未達(dá)到熱保護(hù)閾值則車窗上升并對(duì)紋波計(jì)數(shù)從而獲取車窗位置， 再次判定車窗位置是否到頂，若到頂后則電機(jī)堵轉(zhuǎn)停止， 若未到頂則進(jìn)行車窗繼續(xù)上升，再者判定車窗是否處于無(wú)防夾區(qū)域， 若處于無(wú)防夾區(qū)域則不判定防夾， 若處于防夾區(qū)域 （距車窗頂部4～200mm范圍）則進(jìn)入防夾判定， 最后判定車窗電機(jī)轉(zhuǎn)速差是否達(dá)到閾值，若達(dá)到閾值則車窗防夾反轉(zhuǎn)一段距離。

圖5 車窗紋波防夾軟件流程圖

2.2.3 防夾參數(shù)標(biāo)定

公式 （14） 為防夾判定表達(dá)式， 其中紋波周期和電機(jī)電壓為窗控系統(tǒng)采集輸入量， 每個(gè)紋波周期采集1個(gè)電壓值， 判定窗口為40個(gè)紋波周期， 每8個(gè)紋波周期、 電壓平均值作為1組數(shù)據(jù)， 設(shè)第1組紋波周期、 電壓平均值為t、 U，第5組紋波周期、 電壓平均值為t、 U， 將參數(shù)F=80N、 R=22mm、 i=1:84和P=8帶入公式可得到軟件防夾判定表達(dá)式（15）， 由于K＇和K＇不易計(jì)算， 因此需要通過(guò)防夾試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。

K＇的標(biāo)定通過(guò)同一溫度不同電壓下車窗正常上升的額定轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到， 根據(jù)公式 （6） 可知， 在相同溫度下車窗的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T是恒定的， 因此可通過(guò)不同電壓下的額定轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)擬合出K＇值， 根據(jù)如圖6所示的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與電壓數(shù)據(jù)可擬合出K＇=6.179。

圖6 車窗電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與電壓曲線圖

K＇的標(biāo)定通過(guò)同一電壓不同溫度下車窗上升后防夾試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到， 測(cè)試過(guò)程通過(guò)不斷修正K＇使得防夾力為80N左右， 表1為不同電壓和溫度下車窗防夾力80N左右轉(zhuǎn)速差試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 為適應(yīng)不同溫度取轉(zhuǎn)速差折中值10， 相應(yīng)的K＇=10/1.76=5.682。

表1 不同溫度、 電壓車窗防夾轉(zhuǎn)速差數(shù)據(jù)

3 車窗防夾試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試工裝

車窗防夾采用實(shí)驗(yàn)室搭建的測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試， 其測(cè)試工裝如圖7所示， 由上位機(jī)、 車窗升降機(jī)構(gòu)、 窗控開(kāi)關(guān)、可編程電源、 窗控系統(tǒng)控制模塊、 恒溫箱等組成。

圖7 車窗防夾測(cè)試工裝

3.2 防夾測(cè)試

為驗(yàn)證防夾算法可以適應(yīng)不同電壓工況和不同溫度工況， 設(shè)計(jì)了不同電壓、 不同溫度、 不同防夾力測(cè)試位置的正交試驗(yàn)， 電壓選擇典型的9V、 12V、 14V和16V， 溫度選擇典型的低溫 （-35℃）、 常溫 （23℃） 和高溫 （85℃）， 防夾力測(cè)試位置選擇車窗中間、 車窗左側(cè) （距離車窗中間左偏20cm） 和車窗右側(cè) （距離車窗中間右偏20cm）。

防夾測(cè)試過(guò)程是將恒溫箱溫度設(shè)置為測(cè)試溫度值， 待恒溫箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度后， 將可編程電源電壓調(diào)整至測(cè)試電壓值， 將防夾測(cè)試設(shè)備固定至待測(cè)試車窗位置， 操作窗控開(kāi)關(guān)讓車窗上升， 車窗發(fā)生防夾反轉(zhuǎn)后讀取和記錄防夾力測(cè)試設(shè)備的防夾力峰值， 并且保存對(duì)應(yīng)的紋波脈寬、電壓、 電流等數(shù)據(jù)， 每個(gè)溫度點(diǎn)、 電壓點(diǎn)和位置點(diǎn)重復(fù)做10組試驗(yàn)。

防夾測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如表2～表4所示。 對(duì)各工況下采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 車窗防夾觸發(fā)時(shí)轉(zhuǎn)速差均達(dá)到閾值10， 沒(méi)有出現(xiàn)誤防夾， 防夾力均小于100N， 圖8為環(huán)境溫度為-35℃、電機(jī)電壓為9V的車窗中間位置防夾力工況的轉(zhuǎn)速差曲線圖。 試驗(yàn)結(jié)果表明： 在電機(jī)電壓處于9～16V區(qū)間， 環(huán)境溫度從-35℃到85℃， 測(cè)得車窗防夾力為50～80N之間， 誤防夾率為0%， 滿足法規(guī)防夾力小于100N的要求， 因此基于速度差分的車窗紋波防夾算法可以很好自適應(yīng)不同電壓、 溫度工況下的車窗防夾判定。

表2 溫度為-35℃下防夾力測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 溫度為85℃下防夾力測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8 低溫9V車窗中部位置防夾轉(zhuǎn)速差曲線圖

表3 溫度為23℃下防夾力測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文根據(jù)車窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及紋波防夾工作原理搭建了車窗防夾算法模型， 提出一種基于速度差分的車窗紋波防夾判定方法， 通過(guò)設(shè)計(jì)防夾算法軟件、 標(biāo)定車窗防夾電壓影響因子和扭矩影響因子參數(shù)來(lái)搭建實(shí)驗(yàn)室臺(tái)防夾架測(cè)試工裝， 實(shí)施了不同電壓、 不同溫度、 不同防夾測(cè)試位置的正交試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果表明該算法在各種環(huán)境溫度和供電電壓下有很好自適應(yīng)性和魯棒性。